基于歷史數(shù)據(jù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性優(yōu)化

王 竹，吳 鵬，張銳鋒，龐文濤，盛德仁

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基于歷史數(shù)據(jù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性優(yōu)化

王 竹1，吳 鵬2，張銳鋒2，龐文濤1，盛德仁1

（1.浙江大學(xué)熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所，浙江 杭州 310027； 2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550000）

汽輪機(jī)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）或通流部分改造后，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量特性曲線將偏離設(shè)計(jì)值，從而影響機(jī)組一次調(diào)頻和負(fù)荷控制能力，而現(xiàn)場(chǎng)流量特性試驗(yàn)存在試驗(yàn)條件苛刻、耗時(shí)長(zhǎng)、精度低等缺點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，針對(duì)不同的情況提出2種方法以辨識(shí)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥實(shí)際流量特性，有閥后壓力數(shù)據(jù)時(shí)采用迭代計(jì)算求出各閥門流量特性曲線，無(wú)閥后壓力數(shù)據(jù)時(shí)采用弗留格爾公式求出閥組流量特性曲線，分別通過(guò)仿真和分段線性化對(duì)DEH閥門管理曲線進(jìn)行優(yōu)化修正，確定閥門合理的重疊度。將該方法應(yīng)用于某660 MW機(jī)組，結(jié)果表明在順序閥模式下，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性曲線的線性度有了很大改善，機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）變負(fù)荷和一次調(diào)頻的能力得到了提高。

汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)閥；流量特性；DEH；閥門管理曲線；變負(fù)荷；調(diào)頻

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性是指汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度與通過(guò)調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量之間的關(guān)系。在生產(chǎn)過(guò)程中，汽輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行或調(diào)節(jié)閥解體檢修后，調(diào)節(jié)閥的流量特性將發(fā)生改變，在機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）變負(fù)荷和一次調(diào)頻時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)荷突變而調(diào)節(jié)緩慢，或者導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)劇烈振蕩，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[1-3]。準(zhǔn)確獲取汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量特性，使汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥總閥位與總流量呈線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的精確控制與優(yōu)化運(yùn)行，是汽輪機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。

目前，電廠多通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)流量特性試驗(yàn)來(lái)獲取汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性，但現(xiàn)場(chǎng)流量特性試驗(yàn)普遍存在試驗(yàn)條件苛刻、耗時(shí)長(zhǎng)、精度低等缺點(diǎn)[4-6]。

在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，分布式控制系統(tǒng)（DCS）存儲(chǔ)了大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，是機(jī)組運(yùn)行特性的全面、客觀反映。尚星宇等[7]采用DCS數(shù)據(jù)擬合建立蒸汽流量、閥門開度和總閥位指令之間的數(shù)學(xué)模型，利用流量校正的方法對(duì)閥門開度進(jìn)行優(yōu)化，最后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)優(yōu)化后的閥門流量特性進(jìn)行模擬還原，結(jié)果表明該方法能有效提高優(yōu)化的可靠性。鄒包產(chǎn)等[8]基于試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際調(diào)節(jié)閥流量特性，運(yùn)用最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)建模，確定最優(yōu)調(diào)節(jié)閥流量特性曲線，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)出修正量，從而對(duì)總閥位進(jìn)行校正。陳堅(jiān)紅等[9]通過(guò)理論計(jì)算求出汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的臨界壓比，得出調(diào)節(jié)級(jí)中全開閥后的噴嘴組最先達(dá)到臨界狀態(tài)，噴嘴組壓比始終低于動(dòng)葉壓比；并且級(jí)臨界壓比是僅與調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的常數(shù)，與新蒸汽參數(shù)、機(jī)組配汽方式無(wú)關(guān)。李存文等[10]采用功率值表征機(jī)組進(jìn)汽量，提出一種基于噴嘴流量計(jì)算公式的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥組流量特性辨識(shí)方法，優(yōu)化了流量管理函數(shù)，提高了順序閥模式下流量曲線的線性度。王剛等[11]等通過(guò)對(duì)某660 MW機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的挖掘和分析，結(jié)合其特征通流面積的特點(diǎn)，提出了一種新的流量特性曲線辨識(shí)方法。

本文對(duì)機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，針對(duì)機(jī)組有無(wú)調(diào)節(jié)閥后壓力測(cè)點(diǎn)的情況提出了不同的調(diào)節(jié)閥流量特性辨識(shí)方法。有閥后壓力測(cè)點(diǎn)時(shí)采用迭代計(jì)算求出各閥門的流量特性曲線，通過(guò)MATLAB軟件配汽仿真對(duì)DEH閥門管理曲線進(jìn)行優(yōu)化；無(wú)閥后壓力測(cè)點(diǎn)時(shí)通過(guò)弗留格爾公式，求出閥組流量特性曲線，通過(guò)分段線性化方法對(duì)汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）閥門管理曲線進(jìn)行優(yōu)化。以某660 MW機(jī)組為例，分別使用2種方法，結(jié)果顯示調(diào)節(jié)閥流量特性曲線的線性度有很大改善，機(jī)組AGC變負(fù)荷和一次調(diào)頻的能力得到提高。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 流量特征參數(shù)選取

本文主要研究汽輪機(jī)各閥門和閥組的流量特性，因此只需選取與調(diào)節(jié)級(jí)閥門及汽輪機(jī)流量相關(guān)的參數(shù)即可，包括機(jī)組負(fù)荷、主蒸汽參數(shù)、調(diào)節(jié)級(jí)參數(shù)、高壓缸排汽口（高排）參數(shù)、總閥開度、各閥門開度、各閥后壓力等，具體見表1。

表1 機(jī)組調(diào)節(jié)閥流量特征參數(shù)

Tab.1 Flow characteristic parameters of the control valve

1.2 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)篩選

2 調(diào)節(jié)閥流量特性辨識(shí)

2.1 有閥后壓力測(cè)點(diǎn)機(jī)組

2.1.1 迭代計(jì)算

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)各閥門的流量可以由通過(guò)其噴嘴組的流量確定

2.1.2 仿真優(yōu)化

通過(guò)迭代計(jì)算求出調(diào)節(jié)級(jí)各個(gè)閥門全開度范圍下的流量后，對(duì)流量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)幺化處理，得到各個(gè)閥門的流量-開度關(guān)系曲線。由于關(guān)系曲線包含的工況數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，為后續(xù)仿真的閥門流量特性函數(shù)的確定造成了困難，運(yùn)用-means聚類算法對(duì)流量-開度關(guān)系曲線進(jìn)行擬合[14]，擬合出各個(gè)閥門的流量特性函數(shù)。采用MATLAB軟件中的仿真軟件Simulink搭建閥門管理模塊，對(duì)汽輪機(jī)DEH閥門管理過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)各個(gè)閥門的實(shí)際流量特性函數(shù)確定閥門間合理的重疊度，優(yōu)化DEH閥門管理曲線，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥配汽運(yùn)行優(yōu)化。仿真結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

圖1 迭代計(jì)算流程

圖2 汽輪機(jī)DEH閥門管理曲線仿真結(jié)構(gòu)流程

2.2 無(wú)閥后壓力測(cè)點(diǎn)機(jī)組

2.2.1 弗留格爾公式

弗留格爾公式常用來(lái)計(jì)算汽輪機(jī)級(jí)組變工況時(shí)的流量特性

式中，、、分別為主蒸汽流量、壓力、溫度，下標(biāo)0表示額定工況參數(shù)，下標(biāo)1表示級(jí)組前參數(shù)，下標(biāo)2表示級(jí)組后參數(shù)。

弗留格爾公式不適用于蒸汽超音速流動(dòng)以及閥門切換過(guò)程中的流量計(jì)算，并且其誤差主要來(lái)源于理想氣體假設(shè)[15]。因此對(duì)于無(wú)閥后壓力測(cè)點(diǎn)的機(jī)組，將研究對(duì)象確定為調(diào)節(jié)級(jí)后第一壓力級(jí)至高壓缸排氣口間的壓力級(jí)組成的級(jí)組，并用壓力和比容的乘積代替溫度，從而有效減小誤差[16]，改進(jìn)后的弗留格爾公式為

式中，下標(biāo)2表示調(diào)節(jié)級(jí)后參數(shù)，下標(biāo)d表示高壓缸排汽口參數(shù)。

通過(guò)式(3)將機(jī)組的實(shí)際工況流量修正到額定工況流量，并對(duì)流量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)幺化處理，得出額定工況下機(jī)組總流量-總閥位關(guān)系曲線，同樣，運(yùn)用-means聚類算法對(duì)總流量-總閥位關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，即得調(diào)節(jié)級(jí)閥組流量特性曲線。

2.2.2 分段線性化

總閥位是機(jī)組DCS根據(jù)當(dāng)前主蒸汽壓力及負(fù)荷指令等運(yùn)行參數(shù)通過(guò)比例積分產(chǎn)生的計(jì)算值，汽輪機(jī)各閥門根據(jù)總閥位值確定各自開度，即閥門管理曲線[17]。在定壓運(yùn)行下，機(jī)組負(fù)荷與總流量近似成正比關(guān)系，因此，總閥位是連接總流量與各閥開度（流量）的中間值。采用分段線性化的方法對(duì)閥組流量特性曲線進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改變流量拐點(diǎn)和非線性段對(duì)應(yīng)的總閥位值，達(dá)到改變總閥位與各閥位對(duì)應(yīng)關(guān)系的目的，即優(yōu)化了DEH閥門管理曲線，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥配汽運(yùn)行優(yōu)化。

3 660 MW機(jī)組算例及結(jié)果

本算例機(jī)組采用N660-24.2/566/566型超臨界、凝汽式汽輪機(jī)，調(diào)節(jié)閥為常規(guī)的四閥門配置，開啟順序?yàn)镃V2/4→CV1→CV3從機(jī)組DCS數(shù)據(jù)庫(kù)中提取指定參數(shù)連續(xù)3天的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采樣周期為1 s，采集工況數(shù)據(jù)點(diǎn)259 200個(gè)。對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，得到穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)點(diǎn)9 583個(gè)，數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)效率達(dá)到96.3%。穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)庫(kù)覆蓋機(jī)組運(yùn)行區(qū)間為：機(jī)組負(fù)荷321.56~668.75 MW，主蒸汽溫度477.12~566.37 ℃，主蒸汽壓力9.95~25.63 MPa。

3.1 迭代計(jì)算

通過(guò)Visual Studio平臺(tái)的MFC模塊，使用C++語(yǔ)言編寫軟件，實(shí)現(xiàn)上述迭代計(jì)算和-means聚類算法，軟件主界面如圖3所示。

從穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出單個(gè)閥門全開度下的運(yùn)行數(shù)據(jù)并存入Excel，所需參數(shù)包括主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、閥后壓力、調(diào)節(jié)級(jí)壓力和閥門開度。在主界面手動(dòng)輸入調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)（噴嘴出口角1、動(dòng)靜葉出口面積比、調(diào)節(jié)級(jí)平均直徑），然后點(diǎn)擊文件讀取Excel的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)閥門全開度范圍下的流量進(jìn)行計(jì)算，最后通過(guò)聚類分析完成各個(gè)閥門流量特性函數(shù)擬合。該660 MW機(jī)組的CV1―CV4流量特性曲線以及與原設(shè)計(jì)流量特性曲線的對(duì)比如圖4所示。

分析可得CV1－CV4實(shí)際流量特性與原設(shè)計(jì)流量特性的主要偏差有2點(diǎn)：1）存在死區(qū)，即前5%開度段的流量為0；2）滯后性，特定開度下的實(shí)際流量小于原設(shè)計(jì)流量。因此必須根據(jù)CV1－CV4實(shí)際流量特性重新整定閥門管理函數(shù)，確定閥門間合理的重疊度，通過(guò)MATLAB軟件仿真優(yōu)化后閥門管理函數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化后閥門管理函數(shù)

Tab.2 The optimized valve management function %

3.2 分段線性化

大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行在40%~100%額定負(fù)荷區(qū)間[18]，較低負(fù)荷段的運(yùn)行數(shù)據(jù)為非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。在無(wú)閥后壓力測(cè)點(diǎn)的情況下，對(duì)穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)庫(kù)中的主蒸汽流量應(yīng)用式(3)進(jìn)行修正，同樣，對(duì)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)幺化處理，并運(yùn)用-means聚類算法擬合出閥組流量特性曲線，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：擬合曲線能夠完全表征實(shí)際的閥組流量特性，無(wú)失真；通過(guò)與理想流量特性對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在總閥位開度為75%~95%時(shí)，流量特性曲線出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，流量變化較小。該660 MW機(jī)組總閥位開度為75%~95%時(shí)對(duì)應(yīng)CV1、CV3開啟段，因此需要重新設(shè)置CV1和CV3開啟段的開度曲線以及合理的重疊度。采用分段線性化方法修正總閥位指令，優(yōu)化后的閥門管理函數(shù)對(duì)比見表3中加黑部分。對(duì)比表2和表3可知，2種方法優(yōu)化后的閥門管理函數(shù)基本相同，也驗(yàn)證了MATLAB軟件仿真優(yōu)化的準(zhǔn)確性。

表3 優(yōu)化前后閥門管理函數(shù)對(duì)比

Tab.3 The original and optimized valve management functions %

該660 MW機(jī)組采用優(yōu)化后的閥門管理函數(shù)實(shí)際運(yùn)行后，提取一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，同理，辨識(shí)出汽輪機(jī)閥組流量特性，優(yōu)化后的閥組流量特性以及閥門管理曲線如圖6所示。由圖6可見，總閥位開度為75%~95%時(shí)的流量下凹現(xiàn)象得到解決，流量特性曲線的線性度得到很大改善。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，針對(duì)機(jī)組有無(wú)調(diào)節(jié)閥后壓力測(cè)點(diǎn)的情況提出了不同的調(diào)節(jié)閥流量特性辨識(shí)與優(yōu)化方法。通過(guò)編寫軟件實(shí)現(xiàn)上述功能，較好地解決了流量特性試驗(yàn)復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，可用于指導(dǎo)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行優(yōu)化。以某660 MW機(jī)組為例，2種方法所得結(jié)果基本一致，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性得到了極大的改善，機(jī)組變負(fù)荷、一次調(diào)頻能力得到了提高。

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Research on flow characteristics of steam turbine regulating valve based on historical data

WANG Zhu1, WU Peng2, ZHANG Ruifeng2, PANG Wentao1, SHENG Deren1

(1. Institute of Thermal Science and Power System, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550000, China)

After long-term operation and retrofit of digital electro-hydraulic (DEH) control system or flow path of steam turbine, the actual flow characteristic curve of the turbine’s regulating valve will deviate from the design values, thus affecting the unit’s primary frequency and load control ability. However, the field flow characteristics test has common shortcomings of severe test conditions, long duration and low precision. In this article, through analysis and excavation of the unit’s historical operation data, two methods are proposed for different situations to identify the actual flow characteristics of the steam turbine’s regulating valve. The flow characteristic curves of each valve are obtained by iteration calculation when the downstream pressure data can be achieved, or by the Freugel’s formula when the downstream pressure data can not be achieved. The DEH valve management curve is optimized by simulation and piece-wise linearization to determine the reasonable valve overlap degree. The application of this method in a 660 MW unit shows that, in sequence valve operation mode, the linearity of the flow characteristics curve has been improved greatly, and the capability of the load variation and primary frequency regulation have been enhanced.

steam turbine, regulating valve, flow characteristics, DEH, valve management curve, variable load, frequency modulation

Science and Technology Project of Guizhou Power Grid Co., Ltd. (GZ2015-2-0091)

王竹(1995—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榛痣姍C(jī)組運(yùn)行優(yōu)化，50439923@qq.com。

TK37

B

10.19666/j.rlfd.201804079

王竹, 吳鵬, 張銳鋒, 等. 基于歷史數(shù)據(jù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(2): 39-44. WANG Zhu, WU Peng, ZHANG Ruifeng, et al. Research on flow characteristics of steam turbine regulating valve based on historical data[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 39-44.

2018-04-19

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GZ2015-2-0091)

盛德仁(1960—)，男，教授，shengdr@zju.edu.cn。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）